Αναζητώντας τους μηχανισμούς της γέννησης του Σύμπαντος

Transcript

1 Αναζητώντας τους μηχανισμούς της γέννησης του Σύμπαντος Εισαγωγικό C E R N Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Σωματιδίων Του Αλέξανδρου Τσαντούλα, Φυσικού Φωτογραφία: CERN Εκεί που ο μικρόκοσμος αντανακλά τον μεγάκοσμο, εκεί όπου η διεισδυτική έρευνα στη μικροδομή της ύλης, αντικατοπτρίζεται κοσμολογικά μέχρι τις απαρχές της γέννησης του σύμπαντος Χρυσό Iωβηλαίο πριν τρία χρόνια για το CERN, κοσμογονικές εξελίξεις με τον νέο υπερεπιταχυντή LHC, με επιστημονική βαρύτητα 13 δισεκατομμυρίων ε- τών, όσο δηλαδή και η ηλικία του κόσμου μας Το CERN είναι το Ευρωπαϊκό Εργαστήριο Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων, το μεγαλύτερο στον κόσμο ερευνητικό κέντρο του είδους του. Το CERN (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire) ιδρύθηκε το 1954 και αποτέλεσε μια από τις πρώτες κοινές ευρωπαϊκές προσπάθειες, δείχνοντας τον δρόμο για διεθνείς συνεργασίες. Το Εργαστήριο βρίσκεται επάνω στα γαλλοελβετικά σύνορα δυτικά της Γενεύης, στους πρόποδες της οροσειράς του Ιούρα. Περίπου επιστήμονες, δηλαδή σχεδόν το 50% των επιστημόνων σε ολόκληρο τον κόσμο που ασχολούνται με τα σωματίδια, χρησιμοποιούν τις εγκαταστάσεις του CERN, εκπροσωπώντας 500 πανεπιστήμια και περισσότερες από 80 εθνικότητες. Αιτία ύπαρξης του CERN η «καθαρή επιστήμη», η διερεύνηση των πλέον θεμελιωδών ερωτημάτων για τη Φύση. Τι είναι η ύλη και από πού προέρχεται; Πώς συγκρατείται μεταξύ της για να σχηματίσει αστέρια, γαλαξίες ή ανθρώπινα όντα; Από την επιστήμη των υλικών μέχρι και τους υπολογιστές, η φυσική των σωματιδίων απαιτεί εξαιρετικές επιδόσεις, αναδεικνύοντας το CERN σε ένα σπουδαίο πεδίο πειραματισμού και ελέγχου για τη βιομηχανία. Κύριος εξοπλισμός του CERN, οι επιταχυντές των σωματιδίων και οι ανιχνευτές, που αξιολογούνται στα μεγαλύτερα και πολυπλοκότερα επιστημονικά όργανα στον κόσμο. Οι επιταχυντές είναι διατάξεις που επιταχύνουν σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια και πρωτόνια, σε πολύ υψηλές ταχύτητες και ενέργειες. Μέσω της σύγκρουσης αυτών των σωματιδίων με ακίνητους στόχους, ή μεταξύ τους, και της καταγραφής των αποτελεσμάτων των συγκρούσεων με ανιχνευτές, οι φυσικοί μπορούν να αποκαλύψουν τις δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ των σωματιδίων. Στο CERN, οι δέσμες των σωματιδίων μάς οδηγούν στην καρδιά της ύλης και πίσω στην αρχή του χρόνου, στη Μεγάλη Έκρηξη. Οι ερευνητές εξετάζουν εδώ εκατομμύρια από ασυνήθιστα γεγονότα, προσπαθώντας να εξηγήσουν τη σημερινή μορφή και κατάσταση του σύμπαντος. Το «Καθιερωμένο Πρότυπο», η σύγχρονη θεωρία δηλαδή που περιγράφει με επιτυχία όλα τα πειράματα στοιχειωδών σωματιδίων τα τελευταία χρόνια, δεν είναι πλήρης. Πολλά τα μεγάλα ερωτηματικά, πως τα σωματίδια αποκτούν μάζα και πως οι τέσσερις δυνάμεις της φύσης είναι απλά και μόνον διαφορετικές εκφράσεις μίας και μόνον δύναμης Ιστορική αναδρομή Η πρώτη πρόταση για την ίδρυση ενός πανευρωπαϊκού επιστημονικού εργαστηρίου έγινε το 1949, από τον Γάλλο φυσικό και νομπελίστα Louis de Broglie. Ένδεκα ευρωπαϊκές χώρες, μεταξύ αυτών και η χώρα μας, συγκροτούν το 1952 ένα προκαταρκτικό Ευρωπαϊκό Συμβούλιο για την Πυρηνική Έρευνα. Το 1954 ο νέος φορέας αποκτά και επίσημα οντότητα και εκεί στα περίχωρα της Γενεύης επιλέγεται ο χώρος που θα φιλοξενεί τις εγκαταστάσεις και ο νηπιακός μελλοντικός γίγαντας αρχίζει να αναπτύσσεται Ο πρώτος επιταχυντής σωματιδίων του CERN ήταν ένα συγχροκύκλοτρο πρωτονίων, ισχύος 600 Mev (εκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ), που τέθηκε σε λειτουργία το Πρώτες μεγάλες στιγμές, η από ετών αναμενόμενη παρατήρηση της μετάπτωσης ενός πιονίου σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο. Ακολούθησε ένα κολοσσιαίο μηχάνημα, το σύγχροτρο πρωτονί-

2

3 ων (PS), που άρχισε τη λειτουργία του το 1959, με ισχύ 28 Gev. Το 1965 δημιουργείται ο πρώτος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Δεσμών Πρωτονίων» (proton collider), ISR. Το 1967 ακολουθεί η ISOLDE, ένας διαχωριστής ισοτόπων που επέτρεπε τη μελέτη βραχύβιων πυρήνων. Γαλλία και Γερμανία αποφασίζουν να χρηματοδοτήσουν την κατασκευή ενός θαλάμου φυσαλίδων υδρογόνου, με τον μεγαλύτερο στον κόσμο υπεραγώγιμο μαγνήτη. Ευφυέστατη τεχνολογικά η εφεύρεση το 1968 από τον George Charpak των «αναλογικών πολυκαλωδιακών θαλαμίσκων», που επιτρέπουν τη φθηνή συνεργασία ανεξάρτητων μονάδων μέτρησης, σε συστήματα με χιλιάδες καλώδια. Μέχρι το 1978 η ισχύς του PS αυξάνεται στο χιλιαπλάσιο της αρχικής ισχύος και το σύστημα των συνδεδεμένων πια επιταχυντών, επιτρέπει πληθώρα πειραμάτων. Πειράματα στο ISR επιβεβαιώνουν το 1973 ότι τα πρωτόνια μεγεθύνονται με την αύξηση της ενέργειάς τους. Ο θάλαμος φυσαλίδων υδρογόνου καταδεικνύει ότι τα νετρίνα μπορούν να αλληλεπιδράσουν με άλλα σωματίδια, παραμένοντας όμως νετρίνα. Αυτή η ανακάλυψη των «ουδέτερων ρευμάτων» προβάλλει με επαναστατικό τρόπο μια νέα θεωρία, που αποσκοπεί να ενοποιήσει το μοντέλο της ασθενούς πυρηνικής δύναμης με εκείνο της ηλεκτρομαγνητικής! Το 1976 τίθεται σε λειτουργία ένα δεύτερο εργαστήριο, το σύγχροτρο πρωτονίων μήκους επτά χιλιομέτρων, το SPS, με την ισχύ του να φθάνει το 1978 στα 500 Gev. Τότε δοκιμάστηκε πειραματικά η λεγόμενη «τεχνική στοχαστικής ψύξης» που είχε διατυπώσει ο Simon van der Meer το Αναμενόμενη συνέχεια η μετασκευή του SPS σε έναν Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών Πρωτονίων και Αντιπρωτονίων με τη συνδρομή ενός δακτυλίου συγκέντρωσης αντιπρωτονίων (ΑΑ). Το 1981 τα πρώτα πειράματα συγκρούσεων ύλης και αντιύλης είναι γεγονός και αποφασίζεται τότε η κατασκευή του LEP, ενός Μεγάλου Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών Ηλεκτρονίων-Ποζιτρονίων (Large Electron- Positron collider), με αρχική ενέργεια 50 Gev. Το 1983 γίνεται η ιστορική ανακάλυψη των μποζονίων W και Z, των φορέων δηλαδή της ασθενούς πυρηνικής δύναμης και επιβεβαιώνεται πανηγυρικά η «ηλεκτρασθενής θεωρία» που συνδυάζει την ασθενή και την ηλεκτρομαγνητική δύναμη σε ενιαίο πρότυπο. Τον Αύγουστο του 1989 αρχίζει τη λειτουργία του ο LEP και οι μετρήσεις αποδεικνύουν ότι τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία της ύλης ανήκουν σε τρεις οικογένειες στοιχείων. Ήδη από τα τέλη της δεκαετίας του 1940, οι άνθρωποι είχαν οραματιστεί μια παγκόσμια βάση δεδομένων ικανή να συνδέεται με πολλές άλλες πηγές δεδομένων, έτσι ώστε κάθε σημαντική πληροφορία να διαδίδεται αστραπιαία στον κάθε διαπιστευμένο χρήστη. Σήμερα, αναμφισβήτητα το πιο δημοφιλές τέτοιο σύστημα είναι ο Παγκόσμιος Ιστός (World Wide Web - WWW) που άρχισε την επαναστατική του πορεία τον Μάρτιο του 1989 από το CERN! «Πατέρες» του θεωρούνται οι Tim Berners Lee και ο Robert Cailliau που αναπτύσσουν ένα σύστημα κατανεμημένης πληροφόρησης με υπερκείμενα μέσω υπολογιστών, και σήμερα ο Παγκόσμιος Ιστός επιτρέπει σε όλους μας την πλοήγηση στο Internet! Το 1995 το CERN παρέδωσε το μέλλον του WWW στην κοινοπραξία που συγκροτούν το Γαλλικό Εθνικό Ινστιτούτο Ερευνών στην Πληροφορική και τους Αυτοματισμούς και το Εργαστήριο Επιστήμης Υπολογιστών του

4 Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Μασσαχουσέτης (ΜΙΤ). Ποιος θα το φανταζόταν άραγε πριν δεκαοκτώ χρόνια, ότι η έρευνα στη φυσική των σωματιδίων θα οδηγούσε σε ένα σύστημα επικοινωνίας, το οποίο θα επέτρεπε σε κάθε σχολείο και κάθε μαθητή, να αποκτήσει τη μεγαλύτερη βιβλιοθήκη του κόσμου μέσω ενός μόνο υπολογιστή; Το 1991 αποφασίζεται η κατασκευή ενός Μεγάλου Επιταχυντή Συγκρουόμενων Δεσμών Αδρονίων, του LHC (Large Hadron Collider) μέσα στο τούνελ του LEP. Τον Σεπτέμβριο του 1995 μια διεθνής ομάδα ερευνητών υπό τον Walter Oelert κατορθώνει να συνθέσει άτομα αντιύλης από τα συστατικά της αντισωματίδια! Για πρώτη φορά ανοίγεται ένας δίαυλος στην εξερεύνηση της αντιύλης και γιατί όχι ένα υπερβατικό παράθυρο σε πιθανό αντισύμπαν... Το έτος 2000 οι ενδείξεις ότι υπάρχει μια νέα κατάσταση της ύλης, είκοσι φορές πυκνότερη από αυτή του πυρήνα, είναι κάτι περισσότερο από βάσιμη, όπου αντί τα κουάρκ να συσπειρώνονται σε πρωτόνια ή νετρόνια, κινούνται ελεύθερα. Αυτή η κατάσταση, το πλάσμα κουάρκ και γλουονίων, θα πρέ-πει να υπήρξε κάποια μικροδευτερόλεπτα μετά την κοσμογονική έκρηξη, το Big Bang, προτού αρχίσουν να σχηματίζονται τα σωματίδια της ύλης! Το 2001 το CERN ανακοινώνει τα τελικά αποτελέσματα των ερευνών για την «παραβίαση CP» (Charge Parityviolation), το ιδιαίτερο εκείνο φαινόμενο που εξηγεί γιατί η φύση προτιμά την ύλη από την αντιύλη. Τέλος, το 2002 ανακοινώνεται ότι επιτεύχθηκε η πρώτη ελεγχόμενη παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων ατόμων αντιυδρογόνου, σε χαμηλές ενέργειες. Διάδοση της υπεργνώσης Κάθε τι το μεγάλο που γεφυρώνει παρόν και μέλλον, πρέπει να θεωρείται ποσοστιαίο έστω κτήμα και του πιο απόμακρου γνωστικά ανθρώπου επάνω στον μπλε πλανήτη μας Έτσι λοιπόν παντού σήμερα, όχι απλά με τάσεις ερμηνευτικής διάδοσης, αλλά με εξόχως σοβαρή αντιμετώπιση, συγκροτημένες επιστημονικές ομάδες εμφανίζονται στο προσκήνιο για να σηκώσουν το βαρύ φορτίο της επιλεγόμενης εκλαΐκευσης.

5 Η Ελληνική Εταιρία Σπουδών Φυσικής Υψηλών Ενεργειών (ΕΕΣΦΥΕ) συμμετέχει ενεργά στην προσπάθεια που ξεκίνησε από τις αρχές του 1998 το CERN, με στόχο τη διάδοση στο ευρύ κοινό της έρευνας και των επιτεύξεων του τομέα των Στοιχειωδών Σωματιδίων. Για τον σκοπό αυτόν ιδρύθηκε στο CERN η λεγόμενη Ευρωπαϊκή Ομάδα Εκλαΐκευσης Φυσικής Σωματιδίων (European Particle Physics Outreach Group, EPPOG) με αντίστοιχες εθνικές ομάδες σε κάθε κράτος-μέλος του Οργανισμού. Ο Αναπληρωτής Καθηγητής στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο κ. Νικόλας Τράκας ηγείται της Ελληνικής Ομάδας Εκλαΐκευσης, συναισθανόμενος την ανάγκη να παρουσιαστούν στο ευρύ κοινό τα επιτεύγματα της επιστήμης των στοιχειωδών σωματιδίων. Κάθε αγαθή πρόθεση και προαίρεση είναι χωρίς αντίκρισμα, αν δεν ακολουθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα. Εδώ όμως με τον καλύτερο δυνατό τρόπο η Ελληνική Ομάδα Εκλαΐκευσης παρουσιάζει τον δικό της καταπληκτικό ιστότοπο και διοργανώνει από το 2005 συνεχώς τις εκδηλώσεις των «MasterClasses» σε Αθήνα και Θεσσαλονίκη. Διακόσιοι πενήντα μαθητές Λυκείων συγκεντρώθηκαν στο Πανεπιστήμιο της Αθήνας, στο Ερευνητικό Κέντρο Δημόκριτος, στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο και στο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης και παρακολούθησαν σειρά διαλέξεων από επιστήμονες, επεξεργάστηκαν πραγματικά δεδομένα από πειράματα του CERN, έβγαλαν συμπεράσματα που τα συνέκριναν με τη θεωρία και τέλος συνομίλησαν μέσω διαδικτύου με άλλους Ευρωπαίους μαθητές, καθώς και επιστήμονες από το CERN που συμμετείχαν στην εκδήλωση! Η προσπάθεια αυτή της Ελληνικής Ομάδας Εκλαΐκευσης δεν σταματά εδώ, αφού διοργανώνει επιμορφωτικά σεμινάρια σε καθηγητές Μέσης Εκπαίδευσης, παρουσιάσεις σε ευρύ κοινό, ομιλίες, εκδρομές και εκθέσεις, και τέλος παράγει εκλαϊκευτικό υλικό πολλών καρατίων, όπως το διαδραστικό λογισμικό «Το πανηγύρι των σωματιδίων»! Όλοι οι μεγάλοι στο 5 ο Συνέδριο του Solvay. «Το πανηγύρι των σωματιδίων» Τα πάντα στο σύμπαν είναι κατασκευασμένα από άτομα. Τα άτομα είναι τόσο μικρά ώστε αν βάλουμε ένα εκατομμύριο άτομα σε σειρά δεν θα ξεπεράσουν το πάχος μιας τρίχας από τα μαλλιά μας! Ο Peter Kalmus, μετρ της σωματιδιακής φυσικής, λέει χαρακτηριστικά: -Το πρώιμο σύμπαν ήταν απίστευτο, μια πυκνή αρχέγονη σούπα από στοιχειώδη σωματίδια, που συγκρούονταν συνεχώς μεταξύ τους σε καταπληκτικά μεγάλες ενέργειες, ένα εκτυφλωτικό σόου από πυροτεχνήματα. Πραγματικά το σημερινό σύμπαν με όλη την ομορφιά και την ποικιλομορφία του, είναι απλώς ο καπνός που απέμεινε από τη γιορτή των πυροτεχνημάτων -

6 Οι επιταχυντές σωματιδίων στο CERN επαναδημιουργούν τις συνθήκες ακριβώς μετά το Big Bang και η παρατήρηση του τι ακριβώς συμβαίνει, μας βοηθάει να κατανοήσουμε γιατί το σύμπαν έχει τη σημερινή μορφή του. Τα έως σήμερα επιστημονικά στοιχεία καταμαρτυρούν ότι το σύμπαν δημιουργήθηκε κατά τη διάρκεια μιας Μεγάλης Έκρηξης, όταν ολόκληρο είχε μέγεθος μικρότερο από ένα άτομο! Όλες οι μορφές της ύλης μέσα στο σύμπαν, που γνωρίζουμε ως τώρα, αποτελούνται από περίπου εκατό διαφορετικά είδη ατόμων, καθένα από τα οποία αποτελείται από ηλεκτρόνια με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο που περιστρέφονται γύρω από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα. Ο πυρήνας αποτελείται από νουκλεόνια, θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια, καθένα από τα οποία είναι περίπου φορές βαρύτερο από το ηλεκτρόνιο. Έτσι η ατέλειωτη ποικιλία υλικών μέσα στο σύμπαν είναι φτιαγμένη από τρία μόνο σωματίδια: το ηλεκτρόνιο, το πρωτόνιο και το νετρόνιο. Το ηλεκτρόνιο φαίνεται ότι δεν έχει πιο σύνθετη εσωτερική δομή, ενώ τα νουκλεόνια είναι σύνθετα σωματίδια, και το καθένα αποτελείται από τρία κουάρκ. Όπως το ηλεκτρόνιο, έτσι και τα κουάρκ δεν φαίνεται να έχουν πιο σύνθετη δομή. Μόνο δύο είδη κουάρκ, που ονομάζονται «άνω» (up) και «κάτω» (down), χρειάζονται ώστε να συντεθεί το πρωτόνιο και το νετρόνιο. Έχουν φορτίο +2/3 και -1/3 αντίστοιχα συγκριτικά με το φορτίο του ηλεκτρονίου που είναι -1. Για να ολοκληρωθεί η εικόνα πρέπει να προσθέσουμε ένα ακόμα σωματίδιο χωρίς σύνθετη δομή. Αυτό είναι ένα ουδέτερο σωματίδιο, πιθανόν χωρίς μάζα, το οποίο ονομάζεται νετρίνο του ηλεκτρονίου, και συμπεριφέρεται σαν ηλεκτρόνιο χωρίς ηλεκτρικό φορτίο. Παίζει ουσιώδη ρόλο στις αντιδράσεις μετατροπής νετρονίων σε πρωτόνια και το αντίθετο.

7 α) Κοσμική ύλη Στις αρχές του 20 ού αιώνα, όταν ο Theodore Wulf ανέβασε ανιχνευτές ακτινοβολίας στο Πύργο του Άιφελ, ανακάλυψε ότι αυτοί μέτρησαν περισσότερη ακτινοβολία στην κορυφή του Πύργου από όση είχαν μετρήσει στο έδαφος! Μελέτες αυτής της «κοσμικής ακτινοβολίας» με ανιχνευτές σε κορυφές βουνών, ή κρεμασμένους σε αερόστατα, έδειξαν ότι προέρχεται από βροχή σωματιδίων, τα οποία δημιουργούνται όταν ατομικοί πυρήνες υψηλής ενέργειας, κυρίως πρωτόνια από το διάστημα, συγκρούονται με άτομα στα πιο υψηλά στρώματα της γήινης ατμόσφαιρας. Κοντά στο έδαφος οι κοσμικές ακτίνες περιέχουν και νέα είδη σωματιδίων, τα μιόνια, που είναι ακριβώς σαν τα ηλεκτρόνια, αλλά 210 φορές βαρύτερα. β) Ύλη σε Υψηλές Ενέργειες Τα σωματίδια των κοσμικών ακτίνων φτάνουν χωρίς προειδοποίηση, από όλες τις κατευθύνσεις και με πολύ διαφορετικές ενέργειες. Πειράματα στις υψηλές ενέργειες έχουν αποκαλύψει νέα στοιχειώδη σωματίδια τα οποία ζουν πολύ λίγο ώστε να αναγνωριστούν στις μελέτες των κοσμικών ακτίνων, όπως για παράδειγμα το σωματίδιο «ταυ». Άλλα βαριά σωματίδια που δημιουργούνται σε συγκρούσεις υψηλών ενεργειών είναι σύνθετα σωματίδια, τα οποία αποτελούνται από βαριά κουάρκ, που δημιουργούνται μόνο σε υψηλότερες ενέργειες. Υπάρχουν τρία βαρύτερα κουάρκ, που ονομάζονται «γοητευτικό» (charm), «χαμηλό» (bottom) και «ψηλό» (top). γ) Αντιύλη Για κάθε ένα από τα βασικά σωματίδια της ύλης, υπάρχει επίσης μια έκδοση «καθρέφτης», ή αντισωματίδιο ορθότερα, στην οποία ορισμένες ιδιότητες όπως το ηλεκτρικό φορτίο είναι ανεστραμμένες. Το ηλεκτρόνιο έχει αντισωματίδιο το ποζιτρόνιο που έχει θετικό φορτίο, το πρωτόνιο, το αντιπρωτόνιο και τέλος ανιχνεύονται και τρία αντικουάρκ. δ) Οι γνώριμες δυνάμεις Η πιο γνωστή βασική δύναμη είναι η βαρύτητα, που κυριαρχεί μόνο όταν έχουμε ύλη σε μια οργανωμένη δομή, όπως στο σώμα του ανθρώπου, ή σε μεγαλύτερη κλίμακα όπως στους πλανήτες, στους αστέρες και στους γαλαξίες. Μια πολύ ισχυρότερη θεμελιώδης δύναμη κάνει την παρουσία της στα φαινόμενα του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού, που οφείλονται στην ίδια βασική ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Σε αντίθεση με τη βαρύτητα, αυτή η δύναμη μπορεί να προκαλέσει φαινόμενα έλξης και άπωσης. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη συγκρατεί τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια γύρω από τον θετικά φορτισμένο πυρήνα και βρίσκεται πίσω από τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ατόμων, τα οποία με τη σειρά τους σχηματίζουν τα μόρια, τα στερεά και τα υγρά. Επίσης είναι απόλυτα υπεύθυνη και για φαινόμενα σε μεγάλη κλίμακα, όπως είναι οι επιφανειακές τάσεις και οι τριβές, φαινόμενα που εξαρτώνται από τις δυνάμεις που επιδρούν στα άτομα που βρίσκονται κοντά στην επιφάνεια των υλικών. ε) Οι μη γνώριμες δυνάμεις Στις κλίμακες μεγέθους των ατομικών πυρήνων και σε ακόμα μικρότερες, δύο ασυνήθιστες δυνάμεις μπαίνουν στο παιχνίδι των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων της ύλης. Αυτές ονομάζονται ασθενής και ισχυρή δύναμη. Η ασθενής δύναμη οδηγεί στη διάσπαση των νετρονίων και πολλών άλλων σωματιδίων, όπως των πιονίων και των μιονίων τα οποία συναντώνται συχνά στις κοσμικές ακτίνες. Επιπροσθέτως η ασθενής δύναμη είναι υπεύθυνη και για την «καύση» του υδρογόνου στο κέντρο των αστέρων. Η ισχυρή δύναμη είναι υπεύθυνη για τη συγκράτηση των κουάρκ μέσα στα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα άλλα σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων των πιονίων. Επίσης εμποδίζει τα πρωτόνια του πυρήνα να απομακρυνθούν το ένα από το άλλο λόγω των απωστικών δυνάμεων που δημιουργούν τα ομώνυμά φορτία τους. Αυτό συμβαίνει επειδή η ισχυρή δύναμη είναι περίπου εκατό φορές μεγαλύτερη από την ηλεκτρομαγνητική. στ) Πώς λειτουργούν οι δυνάμεις Όλες οι θεμελιώδεις δυνάμεις, ή αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων της ύλης, δρουν μέσω ενός «φορέα δύναμης», που ανταλλάσσεται μεταξύ των σωματιδίων που αλληλεπιδρούν. Εικάζεται ότι υπάρχει ένα διαφορετικό είδος φορέα για καθεμιά από τις θεμελιώδεις δυνάμεις, που ονομάζεται γκραβιτόνιο (βαρυτόνιο). Τα φωτόνια, τα «σωματίδια» του φωτός, φέρουν την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Τα φωτόνια δεν έχουν μάζα, ούτε ηλεκτρικό φορτίο και ταξιδεύουν σε μεγάλες αποστάσεις, οπότε η ηλεκτρομαγνητική δύναμη μπορεί να διαδοθεί στο άπειρο.

8 Οι φορείς της ασθενούς δύναμης ονομάζονται W και Z. Το W είναι ηλεκτρικά φορτισμένο (W + και W - ), ενώ το Ζ είναι ουδέτερο (Ζ 0 ). Αυτοί οι φορείς έχουν μεγάλη μάζα, και ο καθένας τους ζυγίζει 100 φορές περισσότερο από το πρωτόνιο. Έτσι δύσκολα ανταλλάσσονται σε χαμηλές ενέργειες, με αποτέλεσμα οι ασθενείς δυνάμεις να είναι μικρές. Οι φορείς των ισχυρών δυνάμεων ονομάζονται γλουόνια. Δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο ούτε μάζα, αλλά διαθέτουν μια ξεχωριστή ιδιότητα, κάτι σαν ηλεκτρικό φορτίο, που τους παρέχει τη δύναμη να συγκρατούν τα κουάρκ τόσο ισχυρά, ώστε ποτέ δεν έχει παρατηρηθεί κουάρκ σαν μεμονωμένο σωματίδιο. Οι φυσικοί υψηλών ενεργειών έχουν βρει ότι μπορούν να περιγράψουν τη θεμελιώδη δομή και τη συμπεριφορά της ύλης μέσω ενός θεωρητικού πλαισίου, το οποίο ονομάζεται «Καθιερωμένο Πρότυπο», (Standard Model). ζ) Το μυστήριο της μάζας Στο «Καθιερωμένο Πρότυπο» τα σωματίδια αποκτούν τη μάζα τους με ένα μηχανισμό που έχει το όνομα του θεωρητικού φυσικού Peter Higgs. Σύμφωνα με τη θεωρία όλα τα σωματίδια της ύλης και οι φορείς των δυνάμεων αλληλεπιδρούν με ένα άλλο σωματίδιο, γνωστό σαν μποζόνιο Higgs. Η ισχύς αυτής της αλληλεπίδρασης γεννά αυτό που ονομάζουμε μάζα, και όσο πιο ισχυρή είναι η αλληλεπίδραση, τόσο μεγαλύτερη είναι η μάζα. Όμως κάποιο ερωτηματικό παραμένει, και τα πειράματα πρέπει να αποδείξουν εάν αυτή η θεωρία είναι σωστή... η) Οι επιταχυντές σωματιδίων Οι επιταχυντές σωματιδίων λειτουργούν εκμεταλλευόμενοι τον τρόπο που κινούνται τα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια μέσα σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Τα ηλεκτρικά πεδία δίνουν ενέργεια στα σωματίδια και έτσι τα επιταχύνουν, ενώ τα μαγνητικά πεδία προκαλούν απόκλιση στα σωματίδια και τα εστιάζουν σε δέσμες. Υπάρχουν πολλοί τύποι επιταχυντών. Στους γραμμικούς επιταχυντές (linacs), τα σωματίδια συγκρατούνται σε ευθεία, περνώντας από διαδοχικά ηλεκτρικά πεδία, αυξάνοντας έτσι την ενέργειά τους καθώς περνούν από το ένα στο άλλο. Στους κυκλικούς επιταχυντές, κύκλοτρα (cyclotrons), ή σύγχροτρα (synchrotrons), τα σωματίδια οδηγούνται από μαγνητικά πεδία σε κυκλική τροχιά κι έτσι περνούν από το ίδιο ηλεκτρικό πεδίο που τα επιταχύνει συνεχώς. Συγκρούσεις σε ανώτερα ενεργειακά επίπεδα συντελούνται όταν δύο δέσμες σωματιδίων συναντώνται μετωπικά. Σήμερα, τα πειράματα της φυσικής υψηλών ενεργειών χρησιμοποιούν γενικά ένα μεγάλο αριθμό διαφορετικών ανιχνευτών και ο καθένας από αυτούς έχει εξειδικευμένο καθήκον σχετικά με την αναγνώριση και τη μέτρηση των ιδιοτήτων των σωματιδίων. Οι ανιχνευτές που ονομάζονται «καλορίμετρα» χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της ενέργειας των σωματιδίων και είναι σχεδιασμένοι ώστε να σταματούν τα περισσότερα ουδέτερα σωματίδια, καθώς επίσης και τα ηλεκτρικά φορτισμένα. θ) Σκοτεινή ύλη Μετρήσεις στην αστρονομία υποδεικνύουν ότι έως και το 90% του σύμπαντος ή και περισσότερο, βρίσκεται σε μορφή «σκοτεινής ύλης». Αυτή η ύλη δεν εκπέμπει φως, ή οποιαδήποτε άλλη ανιχνεύσιμη ακτινοβολία και έτσι δεν μπορούμε να τη δούμε, αλλά η παρουσία της γίνεται αισθητή από τα βαρυτικά φαινόμενα που εμφανίζονται στην ύλη που παραμένει ορατή. Οι αστέρες των γαλαξιών για παράδειγμα, φαίνεται ότι κινούνται πολύ πιο γρήγορα απ' ότι αν επηρεάζονταν μόνο από την ορατή ύλη του γαλαξία Η καμπύλωση του φωτός λόγω βαρύτητας, που προκαλείται σε έναν απομακρυσμένο γαλαξία εξαιτίας ενός σμήνους γαλαξιών που βρίσκεται μπροστά του και σε απόσταση δύο δισεκατομμυρίων ετών φωτός, επέτρεψε την ανασύνθεση της συνολικής μάζας αυτού του σμήνους και έδειξε ότι η μάζα της σκοτεινής ύλης υπερβαίνει περίπου κατά 250 φορές, τη μάζα όλων των αστέρων των γαλαξιών του σμήνους! ι) Η αντιύλη Πειράματα στη φυσική υψηλών ενεργειών δείχνουν ότι η ύλη και η αντιύλη δημιουργούνται πάντα σε ίσες ποσότητες, υποδεικνύοντάς μας ότι αυτό πρέπει να συνέβη στο εξαιρετικά δραστήριο περιβάλλον του πρώιμου σύμπαντος. Αλλά αν ήταν έτσι, γιατί η αντιύλη δεν εξαΰλωσε εντελώς την ύλη, αφήνοντας μόνον ενέργεια, δηλαδή φωτόνια στο σύμπαν; Αντί γι' αυτό φαίνεται ότι υπήρξε μια μικρή, αλλά σημαντική ασυμμετρία μεταξύ ύλης και αντιύλης

9 Το μόνο στοιχείο που έχουμε για την προέλευση αυτής της ασυμμετρίας, προέρχεται από μία σαφή άρνηση συμμετρίας μεταξύ σωματιδίων και αντισωματιδίων, γνωστή και σαν παραβίαση CP. Ο Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Δεσμών Αδρονίων (LHC) Η θεωρία υποδεικνύει με έμφαση ότι οι απαντήσεις στα ερωτήματα που έχουν απομείνει, θα αρχίσουν να δίνονται σε ενέργειες γύρω στο 1 TeV. Ο ευκολότερος τρόπος να φτάσουμε στο 1 TeV είναι να αναγκάσουμε δέσμες πρωτονίων να συγκρουστούν μεταξύ τους, καθώς τα πρωτόνια είναι σχετικά εύκολο να παραχθούν και να επιταχυνθούν. Ο LHC θα θέσει σε σύγκρουση δέσμες πρωτονίων μεγαλύτερης ενέργειας, στο επίπεδο των 7 TeV. Το CERN έχει παράδοση να κατασκευάζει νέες μηχανές που εκμεταλλεύονται τις προγενέστερες επενδύσεις, δηλαδή τους προϋπάρχοντες επιταχυντές. Ο επιταχυντής LEP έχει ενσωματώσει το σύγχροτρο πρωτονίων ΡS, τον πρώτο εργαστηριακό επιταχυντή πρωτονίων που κατασκευάστηκε πριν σαράντα περίπου χρόνια, όπως επίσης και το υπερσύγχροτρο πρωτονίων (SPS) το οποίο κατασκευάστηκε στη διάρκεια της δεκαετίας του 70 και έτσι ο LHC θα χρησιμοποιήσει αυτούς τους επιταχυντές, που θα λειτουργήσουν σαν «προωθητές». Ο Μεγάλος Επιταχυντής Συγκρουόμενων Δεσμών Αδρονίων (Large Hadron Collider, LHC) είναι ένας κυκλικός επιταχυντής με περιφέρεια 27 km, τοποθετημένος σε ένα υπόγειο τούνελ, σε βάθος περίπου 100 m, στην περιοχή της Γενεύης, που θα υποχρεώνει τα πρωτόνια να κάνουν περιστροφές το δευτερόλεπτο και θα χρησιμοποιεί μαγνήτες των οποίων τα υπεραγώγιμα πολύκλωνα καλώδια θα έχουν συνολικό μήκος πέντε φορές την απόσταση Γης-Ηλίου! Ακόμη θα δημιουργεί στο κυκλικό τούνελ που θα κυκλοφορούν οι δύο δέσμες, κενό που αντιστοιχεί σε υψόμετρο km και θα συντηρεί το συνολικό σύστημα των υπεραγώγιμων μαγνητών σε θερμοκρασία 1,9 βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, χρησιμοποιώντας υγρό ήλιο σε ατμοσφαιρική πίεση. Εξομοίωση μετατροπής Higgs σε ανιχνευτή του CMS.

10 Η Ελληνική συμμετοχή Ο ATLAS είναι ένας ανιχνευτής που σκοπό έχει να εκμεταλλευτεί όλο το δυναμικό της Φυσικής που βρίσκεται πίσω από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. Θα προσδιορίσει τις ενέργειες, τις διευθύνσεις καθώς και την ταυτότητα των σωματιδίων που θα παραχθούν από τις συγκρούσεις των δύο δεσμών πρωτονίων. Αναμένονται γύρω στο συγκρούσεις το δευτερόλεπτο και ο ρυθμός μεταφοράς των δεδομένων θα είναι ισοδύναμος με 20 τηλεφωνικές συνδιαλέξεις όλων των κατοίκων της Γης συγχρόνως! Oι υπολογιστές του ATLAS θα επεξεργάζονται τις πληροφορίες των αποτελεσμάτων αρκετά γρήγορα, ώστε να επιλέξουν τις λιγοστές από τις συγκρούσεις που θα μπορεί να υποδηλώνει νέα φαινόμενα Στο μεγαλύτερο ερευνητικό πρόγραμμα που εξελίσσεται αυτή τη στιγμή στον κόσμο, η Ελλάδα κατέχει αξιοπρόσεκτη θέση, αφού ομάδα ερευνητών από ελληνικά πανεπιστήμια βρίσκονται στο CERN και μετέχουν στην κατασκευή του νέου Μεγάλου Επιταχυντή που θα τεθεί σε λειτουργία τον Οκτώβριο. -Για πρώτη φορά υπάρχει ελληνική συμμετοχή, μέσα σε αυτό το μοναδικό και υπερυψηλής τεχνολογίας περιβάλλον εργασίας, όπου η κατασκευή και η λειτουργία του LHC αποτελεί το μεγαλύτερο έργο του κόσμου σε επίπεδο εξελιγμένης τεχνολογίας, το πιο σύνθετο και το πιο μεγάλων διαστάσεων έργο, όπου συμμετέχουν όλα τα ανεπτυγμένα ευρωπαϊκά κράτη με τη συνεργασία ΗΠΑ, Ρωσίας, Κίνας και Ιαπωνίας. Μέχρι τον Σεπτέμβριο θα έχει ολοκληρωθεί η κατασκευή του ανιχνευτή ATLAS και τότε θα αρχίσουν τα πειράματα-, λέει ο κ. Ευάγγελος Γαζής, Καθηγητής του Τομέα Φυσικής της Σχολής Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών στο ΕΜΠ, ο οποίος μετέχει από τη δεκαετία του 90 στον σχεδιασμό του υπερανιχνευτή. Η ελληνική συμμετοχή στον Μεγάλο Επιταχυντή εστιάζεται σε δύο κομβικά σημεία του πολύπλοκου προγράμματος. Οι Έλληνες ερευνητές έχουν αναλάβει την εγκατάσταση όλων των ηλεκτρονικών μονάδων ελέγχου του κρυογενικού συστήματος, το οποίο παίζει καθοριστικό ρόλο στο θερμοκρασιακό περιβάλλον του επιταχυντή. Για το 30% της κατασκευής του φασματομέτρου μιονίων, υπόλογος είναι πολυσυμμετοχική ομάδα από το ΕΜΠ, το Πανεπιστήμιο Αθηνών και Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. Να πούμε ότι τα μιόνια είναι σωματίδια σαν τα ηλεκτρόνια, αλλά 200 περίπου φορές βαρύτερα. Είναι τα μόνα ανιχνεύσιμα σωματίδια που μπορούν να περάσουν τα καλορίμετρα χωρίς να επιβραδυνθούν. Το φασματόμετρο μιονίων περιβάλλει το καλορίμετρο και μετρά την ορμή τους με πολύ μεγάλη ακρίβεια. Αποτελείται από χιλιάδες ανιχνευτές φορτισμένων σωματιδίων τοποθετημένων σε μαγνητικό πεδίο, που παράγεται από μεγάλους υπεραγώγιμους τοροειδείς μαγνήτες. Τελικός σκοπός ο εντοπισμός μιονίων, τα οποία ενδεχομένως να οδηγήσουν τους επιστήμονες στην πειραματική ανίχνευση των σωματιδίων Higgs. Άλλη σημαντικότατη παρουσία στο επιστημονικό και τεχνολογικό γίγνεσθαι του CERN, είναι οι τριάντα χιλιάδες ανιχνευτές αερίου που κατασκεύασε το Εργαστήριο του Τομέα Πυρηνικής Φυσικής και Στοιχειωδών Σωματιδίων του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Αθηνών με επικεφαλής την καθηγήτρια κ. Χριστίνα Κουρκουμέλη, και οι οποίοι ανιχνευτές θα χρησιμοποιηθούν στο πείραμα ATLAS για να μετρήσουν τροχιές φορτισμένων σωματιδίων με μεγάλη ακρίβεια της τάξεως των 80 εκατομμυριοστών του μέτρου.

11 Επίλογος Πεντηκοστά τρίτα γενέθλια για το CERN και η αιχμή του δόρατος στην έρευνα της ολικής υπόστασης της ύλης, συμπληρώνει μισόν αιώνα και κάτι, από θαυμαστή και παραδειγματική λειτουργία και εμείς από το νοτιοανατολικό ακρότατο της Ευρωπαϊκής ηπείρου, αισθανόμαστε ιδιαίτερα όμορφα που το νήμα ξετυλίχθηκε από τους «ατομικούς φιλοσόφους» της Θράκης, για να περάσει στις επώνυμες μεγαλοφυΐες του Αϊνστάιν, του Πλανκ, του Φέρμι, του Χάιζενμπεργκ και τόσων άλλων Όλα αυτά τα καταπληκτικά τεκταινόμενα και δρώμενα, που εκτοξεύουν την επιστημονική γνώση, δίνουν εργασιακή οντότητα σε εκατοντάδες εργοστάσια και πολλές χιλιάδες τεχνικούς ανά την υφήλιο. Φυσικά συνιστούν αυθεντικότατες και απόλυτα υγιείς παραστάσεις όσον αφορά τα ερεθίσματα και τον γνωστικό προσανατολισμό της νεολαίας. Παράλληλα δε μεταφέρουν τεχνογνωσία από τα μυθικά ακροτελεύτια περιοχών «σκοτεινής ύλης», στην απειροστή δική μας καθημερινότητα, βελτιώνοντας αναλογικά τη ζωή μας. Και επειδή πάντα υπάρχουν δύσπιστοι και «Θωμάδες», σκεφτείτε ότι η βλαβερή δόση ακτινοβολίας που δεχόμαστε ακόμη και για τη διάγνωση ενός απλού κατάγματος, τώρα στα προηγμένα κέντρα περιορίζεται στο ένα δέκατο, αφού τη θέση της ακτινογραφικής πλάκας καταλαμβάνει ένας υπερευαίσθητος ανιχνευτής με know how από το CERN! Και ακόμα η αμφιλεγόμενη ακτινοβόλιση καρκινικών όγκων, τώρα μπορεί να αντικατασταθεί από συνεκτική δέσμη ιόντων άνθρακα, που έχει περάσει από επιταχυντική διάταξη και βομβαρδίζει με εκπληκτική συγκέντρωση τον στόχο! Και δεν θα ξεχάσουμε βέβαια και τους PET, αφού η Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων (Positron Emission Tomography, PET) είναι μια δυναμική μέθοδος ραδιοφαρμακευτικής διάγνωσης, η ανάπτυξη της οποίας οφείλεται στο CERN και στο Νοσοκομείο του Καντονιού της Γενεύης. Το ΡΕΤ επιτρέπει την ανίχνευση μεταβολών σε ιστούς και όργανα που συνδέονται με ασθένειες, πολύ πριν εμφανιστούν σοβαρά συμπτώματα των ασθενειών αυτών! Με τις πιο πρόσφατες εξελίξεις, επιταχυντές πρωτονίων έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται για τη ραδιοθεραπεία ή την θεραπεία με αδρόνια, καθώς αυτό το αναπτυσσόμενο πεδίο έρευνας γίνεται γνωστότερο. Το πλεονέκτημα των πρωτονίων είναι ότι εναποθέτουν όλη τους την ενέργεια στο ίδιο σημείο. Αυτό κάνει τη θεραπεία με αδρόνια ιδανική για όγκους που εμφανίζονται κοντά σε ζωτικά όργανα, όπου η ακρίβεια είναι θεμελιώδους σημασίας Μηχανές αεροσκαφών και τεχνητά ανθρώπινα μέλη συγκαταλέγονται στα προϊόντα που επωφελούνται από την τεχνική εμφύτευσης δέσμης ιόντων. Ακόμα πιο εξελιγμένες είναι οι συσκευές που ανιχνεύουν αυξημένη συγκέντρωση αζώτου, μιας ουσίας που συναντάμε πολύ συχνά στα ναρκωτικά και στα εκρηκτικά, αν σας έχει τύχει σε έλεγχο αεροδρομίου Χρησιμοποιώντας επιταχυντές σωματιδίων αποκωδικοποιείται η δομή ιών όπως του HIV, προσδιορίζεται η ηλικία έργων, όπως οι τοιχογραφίες στο διάσημο σπήλαιο του Lascaux και ευελπιστούμε ότι για την προστασία του περιβάλλοντος, θα κατορθωθεί η αποδόμηση μακρόβιων πυρηνικών αποβλήτων σε αβλαβή υλικά! Τέλος το CERN αναπτύσσει μία καινούργια δικτυακή τεχνολογία που λέγεται GRID, που θα συνδέσει δεκάδες χιλιάδες υπολογιστών σε ολόκληρο τον κόσμο, με σκοπό τη δημιουργία ενός παγκόσμιου υπολογιστικού δυναμικού για τα πειράματα του LHC, καθώς απαιτείται η ανάλυση ενός τεραστίου ποσού δεδομένων. Και έτσι ενδεικτικά να πούμε ότι η ετήσια αποθήκευση δεδομένων σε CD θα πέρναγε στη στρατόσφαιρα, αφού θα σχημάτιζε πύργο ύψους 20 km! Ραντεβού τον επόμενο Οκτώβριο λοιπόν στη γιγαντοοθόνη του Μετσοβίου Πολυτεχνείου, με όλους εσάς που είστε εραστές της αληθινής γνώσης και λάτρεις των επιστημονικών επιτευγμάτων, για να είμαστε και εμείς εκεί, όταν θα εντοπιστούν live απειροελάχιστα μεγαλεία της φύσης, σε τεχνητές κοσμικές συγκρούσεις Μία σύγχρονη παγκόσμια αξία, ο Tim Berners Lee, «πατέρας» του Παγκόσμιου Ιστού (World Wide Web - WWW) που άρχισε την επαναστατική του πορεία τον Μάρτιο του 1989 από το CERN! Με μία μικρή ομάδα εισήγαγε όρους και εφαρμογές, όπως HTML, http, URLs, έθεσε σε λειτουργία τον πρώτο server και εγκαινίασε τη διαδικασία του «wysiwyg» (what you see is what you get)

12 Υ.Γ.: Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε ιδιαίτερα τον Αναπληρωτή Καθηγητή του Τομέα Φυσικής, της Σχολής Ε- φαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών, του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου, κ. Νικόλαο Τράκα, για την παροχή πλείστων όσων στοιχείων και πληροφοριών, που άπτονται θεμάτων Φυσικής Υψηλών Ενεργειών, όσο και για τη θετικότατη συμβολή του στην εξασφάλιση των φωτογραφιών από το CERN.

13 Το συγκεκριμένο κείμενο δημοσιεύθηκε στο περιοδικό «ΠΤΗΣΗ & διάστημα», τεύχος 265, Οκτώβριος 2007.

14

15

16

17